CN111556528B - 一种自组织网络下基于跳频跳时图案的信道状态判断方法 - Google Patents

Abstract

一种自组织网络下基于跳频跳时图案的信道状态判断方法，属于无线网络通信领域。本发明是为了解决在降低时延和提高吞吐量的同时降低算法复杂度的问题。本发明针对全连通自组织网络，物理层采用跳频跳时技术进行发送，共提供m个频点；基于无重叠的跳频跳时图案，预先为每个节点固定分配q个图案，节点的发送和接收以图案为单位；每个图案对应一个时频矩阵，将拆分的物理脉冲映射到时频矩阵中，得到物理脉冲的发送形式，并根据信道负载状态决定是否发送：当信道负载统计值小于优先级阈值时，信道状态为轻载，可以进行发送；否则信道过载，节点退避。主要用于信道状态的判断。

Description

一种自组织网络下基于跳频跳时图案的信道状态判断方法

技术领域

本发明属于无线网络通信领域，涉及一种自组织网络(ad hoc networks)下的信道状态判断方法。

背景技术

随着万物互联时代的到来，无线数据量迅猛增长，对不同业务数据传输的要求也日益提高。在战场、救灾现场等时延要求较高的环境下中，自组织网络由于易部署、无依赖性、灵活性强等巨大优势受到广泛关注，尤其是网络接入控制方面，为节点不同业务服务质量和平均端到端时延提供保证。但是传统接入控制方式比如分配类协议TDMA和随机接入控制CSMA/CA无法满足时延要求和不同业务优先级服务质量，美军最新一代数据链(TacticalTargeting Network Technology,TTNT)中基于统计优先级接入协议(StatisticalPriority-based Multiple Access,SPMA)技术具有突破性优势，但是由于技术细节的保密也为后续研究带来了不少未知和挑战。

目前也有一些学者和专家对此展开了研究，也取得了一些成果，普遍都是为了实时响应不同优先级业务的传输要求，网络各层协议不断改进，参考统计优先级协议的方法，自组织网络下物理层采用跳频跳时传输技术联合脉冲发送机制，将拆分后的物理脉冲映射到预先设计好的无重叠的时频矩阵中，使得网络中各节点分配到足够的图案数，实现一发多收。

在数据链路层在跳频跳时基础上的业务传输过程中，可以在一定程度上保证各业务的服务质量，但是现有保证低时延的方法的复杂度非常高，不仅降低了业务效率，而且运算开销也比较大。还有就是目前方法的时延有待于进一步降低，吞吐量还有待于进一步提高。

发明内容

本发明主要是为了解决在降低时延和提高吞吐量的同时降低算法复杂度的问题。

一种自组织网络下基于跳频跳时图案的信道状态判断方法，包括以下步骤：

针对全连通自组织网络，物理层采用跳频跳时技术进行发送，共提供m个频点；基于无重叠的跳频跳时图案，预先为每个节点固定分配q个图案，节点的发送和接收以图案为单位；每个图案对应一个时频矩阵，将拆分的物理脉冲映射到时频矩阵中，得到物理脉冲的发送形式，并根据信道负载状态决定是否发送：当信道负载统计值小于优先级阈值时，信道状态为轻载，可以进行发送；否则信道过载，节点退避；

所述信道负载统计是根据节点的载波检测能力在统计周期内检测同一时间内是否有新的脉冲到达并占用与发送图案脉冲中相同的频率确定的，若检测到则视为信道忙，将此时帧周期标记为1，否则信道空闲；重复这一过程，统计T时间内所占用的总时帧数，计算得出每一套图案的负载统计值；

所述优先级阈值是基于数据分组发送成功概率，根据不同优先级业务发送成功概率确定的网络最大容纳节点数确定的。

进一步地，所述将拆分的物理脉冲映射到时频矩阵的过程包括以下步骤：

对于一个数据分组，完整传输需要的时间为T_p，将其拆分为n个持续时间为t_p的物理脉冲，则发送占空比为

发送时，节点将n个物理脉冲与时频矩阵一一对应；

进一步地，所述时频矩阵的生成过程如下：

第一步，将有限域G(p)中非零元素升序排列，得到长度为p-1的码元集合G＝{1,2,...,p-1}；p为一个素数，满足n+1≤p≤m+1；

第二步，将上述码元同乘u，1≤u≤p-1，并作取余运算mod(p)，得到无重叠跳频序列；u是一个数；

第三步，截取序列的前n列，得到跳频矩阵，矩阵大小为(p-1)*n；

第四步，将跳频矩阵扩展成N_s*n矩阵，其中N_s≥q*N为图案总数；

第五步，将最终的跳频矩阵分配到时隙中，保证同一个时隙所占用的频点不同，时隙个数

第六步，生成时频矩阵并随机打乱，时频矩阵的数字代表所占用的频点索引。

进一步地，所述跳频跳时图案是按照组网要求提前设计好的，并以固定分配的方式分配给网络中节点。

进一步地，所述信道负载统计的具体过程，包括以下步骤：

在时分而不同步时，每个节点在物理层依据载波检测能力分别检测同一时间内是否有新到达的脉冲占用与发送图案脉冲中相同的频率；按时间和频率键值对来记录自己的图案：

{t₀,f₀,t₁,f₁…t_n-1,f_n-1} (1)

其中，t₀表示时帧开始时间，t₁～t_n-1表示各个脉冲相对于t₀的开始时间，f₀～f_n-1表示图案中脉冲占用的不同频点；

设置定时器时间长度为一帧，在一帧内逐个脉冲检测新到达的脉冲时间与频率是否发生重叠，若检测到重叠，则信道忙，更新信道负载；否则信道空闲，等待下一个脉冲，直到一帧内所有脉冲统计完成后更新负载：

判断重叠的条件是：新脉冲频点与图案中脉冲占用频点相同，同时新脉冲到达时间与图案中脉冲时间上有交叉，假设新脉冲达到时间为t_j，图案中脉冲时间起点为t_i：

(t₀+t_i)＜t_j＜(t₀+t_i+t_p) (2)

为了获取信道负载统计值，需要建立时间间隔为T的统计周期，逐帧统计并更新，统计被占用的时帧数为t_ocp，总时帧数为

计算信道占用率η_ocp即信道负载统计值：

进一步地，所述优先级阈值η_th＝T_δ*N/m。

进一步地，所述优先级阈值确定的具体过程，包括以下步骤：

网络中有N个节点，设置时帧长度为T_p，物理层提供m个频点，数据包拆分为n个持续时间为t_p的物理脉冲，则发送占空比

假设脉冲到达的时间分别为t_j，j＝1,2,...,n，则时间碰撞的条件是

|t_j-t_i|＜T_p*T_δ (4)

以节点1为例，当N个节点同时接入信道时，节点1与其他节点发生碰撞的概率为时间碰撞概率与频率碰撞概率乘积：

其中，V_i为节点的时间约束区域；

脉冲碰撞概率达的最大值为：

其中，

中C表示数学中的组合运算；

考虑物理层的编码纠错能力，当接收到的碰撞脉冲数在纠错能力范围内则可以被成功译出，即数据被分为n个脉冲，当接收到大于等于接收最小脉冲数n_min时认为数据发送成功，则发送成功概率为：

其中，P_cmax ^n-i为P_cmax的n-i次方；

基于无重叠的跳频跳时图案，n个节点同时接入网络可以最大程度的占用信道，此时信道负载最大，即有限制阈值值η_th为：

其中，L_n为系统负载，R为节点发送速率；

根据不同优先级的数据包发送成功概率要求和公式(7)得到网络最大容纳的节点数N，进而根据式(8)得到优先级阈值。

有益效果：

本发明提出一种自组织网络下基于跳频跳时图案的信道状态判断方法。主要目的是在自组织网络下利用信道负载状态判断方法控制不同优先级业务的发送，降低时延和提高系统吞吐量。本发明通过比较负载值与优先级阈值的大小判断信道是否过载，尽可能满足不同业务的服务质量。与现有的负载统计方法和阈值设置方法相比，负载统计更具实时性和准确性，阈值设置结合跳频跳时图案大幅度减少碰撞，从而使得吞吐量提高，并且本发明在系统性能和计算复杂度之间达到良好的兼顾。

附图说明

图1为一种基于跳频跳时图案的信道状态判断方法的流程示意图；

图2为基于图案的信道负载统计流程示意图；

图3为提出的跳频跳时图案；

图4为跳频跳时图案对应的时频矩阵；

图5是在图4的条件下，物理脉冲发生碰撞概率随网络接入节点数的变化示意图；

图6与图5条件相同，数据分组发送成功概率随系统负载和网络接入节点数的变化示意图。

具体实施方式

本发明的目的是为了控制自组织网络下不同优先级业务的发送，使得优先服务时间敏感的业务，通过减少低优先级业务的接入降低网络负载，增大高优先级业务的发送概率。在满足网络全联通的情况下，尽可能保证各业务的服务质量，在降低时延和提高吞吐量的同时，降低算法复杂度。

本发明的信道负载状态判断方法，通过比较负载值与优先级阈值的大小判断信道是否过载。信道状态判断包括两个阶段：每个节点分别以发送图案为单位进行信道负载的统计；基于接收端碰撞模型建模，根据不同优先级业务要求的数据分组发送成功概率确定网络中可容纳的节点数，从而确定接入阈值。重复这一过程，以得到不同业务信道状态的判断。期望本发明的各项指标能够接近于SPMA协议，很好的兼顾性能和复杂度。具体通过以下实施方式进一步说明。

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，

本实施方式为一种自组织网络下基于跳频跳时图案的信道状态判断方法，包括以下步骤：

全连通自组织网络包括N个节点，N个节点随机分布且地位相等，每个节点按比例生成k种优先级业务；

针对全连通自组织网络，物理层采用跳频跳时技术进行发送，共提供m个频点；基于无重叠的跳频跳时图案，预先为每个节点固定分配q个图案，节点的发送和接收以图案为单位，可实现一发多收；

每个图案对应一个时频矩阵，将拆分的物理脉冲映射到时频矩阵S中，得到物理脉冲的发送形式，并根据信道负载状态决定是否发送：当信道负载统计值小于优先级阈值时，信道状态为轻载，可以进行发送；否则信道过载，节点退避；

信道负载统计主要应用于基于统计优先级的多址协议中；接入协议采用时分而不同步的发送模式，每个节点分别在物理层统计信道负载值；以图案为单位，建立时间间隔为T的统计周期，根据节点的载波检测能力在统计周期内检测同一时间内是否有新的脉冲到达并占用与发送图案脉冲中相同的频率，若检测到则视为信道忙，将此时帧周期标记为1，否则信道空闲；重复这一过程，统计T时间内所占用的总时帧数，计算得出每一套图案的负载统计值；

优先级阈值的确定过程中，碰撞是由于不同节点的发送脉冲同时占用同一频率而产生的。在时分而不同步情况下仅会发生“多对一”碰撞。本发明阈值设置根据接收端碰撞时间约束模型对网络进行建模，在没有数据需要发送的情况下，接收节点最多可同时接收q路数据，当有超过q个节点向同一个节点发送数据时出现两个节点占用同一个图案的情况，发生完全碰撞。得到数据分组发送成功概率表达式，根据不同优先级业务发送成功概率确定网络最大容纳节点数，进而确定优先级阈值。

具体实施方式二：

本实施方式为一种自组织网络下基于跳频跳时图案的信道状态判断方法，所述将拆分的物理脉冲映射到时频矩阵的过程包括以下步骤：

对于一个数据分组，完整传输需要的时间为T_p，将其拆分为n个持续时间为t_p的物理脉冲，则发送占空比为

发送时，节点将n个物理脉冲与时频矩阵一一对应，进行频率和时间的双重跳变，增强系统抗干扰性能，降低碰撞概率和时延，提高吞吐量。

所述时频矩阵的生成过程如下：

假设频点数m足够大，基于截短型素数跳频序列的构造方法，取n+1≤p≤m+1，则可以设计出足够的无重叠的跳频跳时图案。跳频跳时图案是按照组网要求提前设计好的，并以固定分配的方式分配给网络中节点，设计之初可以保留一些冗余供网络新加入节点使用。但是当节点数增加到一定值时，需要结合实际重新设计图案。

第一步，将有限域G(p)中非零元素升序排列，得到长度为p-1的码元集合G＝{1,2,...,p-1}；

第二步，将上述码元同乘u(就是一个数，没有实际含义)，1≤u≤p-1，并作取余运算mod(p)，得到无重叠跳频序列；

第三步，截取序列的前n列，得到跳频矩阵，矩阵大小为(p-1)*n；

第四步，将跳频矩阵扩展成N_s*n矩阵，其中N_s≥q*N为图案总数；

第五步，将最终的跳频矩阵分配到时隙中，保证同一个时隙所占用的频点不同，时隙个数

第六步，生成时频矩阵并随机打乱，时频矩阵的数字代表所占用的频点索引。

其他步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，

本实施方式为一种自组织网络下基于跳频跳时图案的信道状态判断方法，所述信道负载统计的具体过程如下：

合理设计参数，生成足够的跳频跳时图案总数，保证每个节点分配到相互正交的q个图案。由于脉冲是以图案的形式发送，所以负载统计也以图案为单位。现有的信道负载统计方法一般分为两种，一是通过统计上层到达的数据包数量或者通过网络层广播信息，二是在物理层针对每一个频点分别进行统计，获得平均值作为最终的统计值。但在基于跳频跳时图案的情况下，广播信息会使得统计值不准确，同样在按照图案进行发送时统计每一个频点的占用情况并不能准确反映发送图案的负载。

图案是按固定分配方式预先分配好的。将发送图案看成一条“逻辑信道”，每个节点维护一个图案链表，发送节点在接收节点链表中选择负载最小值的图案进行发送。

在时分而不同步时，每个节点在物理层依据载波检测能力分别检测同一时间内是否有新到达的脉冲占用与发送图案脉冲中相同的频率；按时间和频率键值对来记录自己的图案：

{t₀,f₀,t₁,f₁…t_n-1,f_n-1} (1)

其中，t₀表示时帧开始时间，t₁～t_n-1表示各个脉冲相对于t₀的开始时间，f₀～f_n-1表示图案中脉冲占用的不同频点；

设置定时器时间长度为一帧，在一帧内逐个脉冲检测新到达的脉冲时间与频率是否发生重叠，若检测到重叠，则信道忙，更新信道负载；否则信道空闲，等待下一个脉冲，直到一帧内所有脉冲统计完成后更新负载。

判断重叠的条件是：新脉冲频点与图案中脉冲占用频点相同，同时新脉冲到达时间与图案中脉冲时间上有交叉，假设新脉冲达到时间为t_j，图案中脉冲时间起点为t_i：

(t₀+t_i)＜t_j＜(t₀+t_i+t_p) (2)

为了获取信道负载统计值，需要建立时间间隔为T的统计周期，逐帧统计并更新，统计被占用的时帧数为t_ocp，总时帧数为

计算信道占用率η_ocp即信道负载统计值：

其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：

本实施方式为一种自组织网络下基于跳频跳时图案的信道状态判断方法，所述的优先级阈值的确定过程如下：

优先级阈值设置根据接收端碰撞模型进行建模，每个节点分配到相互正交的q个图案，可以保证一发多收，每个节点最多可以无碰撞的接收q个不同节点发送的数据。在时分而不同步的情况下，当且仅当超过q个节点同时向同一个节点发送数据时，会发生“多对一”碰撞，并且是完全碰撞。碰撞检测过程是在接收端进行的：当来自不同节点的脉冲在时间和频点上重叠时，认为发生了碰撞，丢包率大大增大。

网络中有N个节点，设置时帧长度为T_p，物理层提供m个频点，数据包拆分为n个持续时间为t_p的物理脉冲，则发送占空比

假设脉冲到达的时间分别为t_j，j＝1,2,...,n，则时间碰撞的条件是

|t_j-t_i|＜T_p*T_δ (4)

以节点1为例，当N个节点同时接入信道时，节点1与其他节点发生碰撞的概率为时间碰撞概率与频率碰撞概率乘积：

其中，V_i为节点的时间约束区域，一旦发生碰撞即为完全碰撞，因此V_i为1，此时脉冲碰撞概率达到最大值：

其中，

中C表示数学中的组合运算；

若考虑物理层的编码纠错能力，当接收到的碰撞脉冲数在纠错能力范围内则可以被成功译出。即数据被分为n个脉冲，当接收到大于等于接收最小脉冲数n_min时认为数据发送成功，则发送成功概率为：

其中，P_cmax ^n-i为P_cmax的n-i次方；

基于无重叠的跳频跳时图案，n个节点同时接入网络可以最大程度的占用信道，此时信道负载最大，即有限制阈值值η_th为：

其中，L_n为系统负载，R为节点发送速率。

根据不同优先级的数据包发送成功概率要求(例如99％)，将其代入式(7)得到网络最大容纳的节点数N，进而根据式(8)得到优先级阈值。

其他步骤和参数与具体实施方式一、二或三相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果。

实施例一：

本实施例一种自组织网络(ad hoc networks)下基于跳频跳时图案的信道状态判断方法具体是按照以下步骤制备的：

仿真条件：网络共32个节点，频点数m＝16，节点支持一发三收，脉冲数n＝8，时帧长度T_p＝8ms，脉冲长度t_p＝0.125ms。。

图3是设计好的无重叠的跳频跳时图案，表示本发明中信道状态判断方法的前提是物理层采用跳频跳时技术及脉冲发送方式。图案中共有16种不同颜色，每种颜色表示一个频点，总行数表示设计出的图案总数。以图案为依据，按固定分配方式依次为各节点逐行分配4个图案。图4是与图3对应的时频矩阵，横坐标表示时隙数，纵坐标表示频点。共有128种颜色，每种颜色代表一种图案，在每一种图案中脉冲在时隙和频点中随机分布。从图3和图4可以得出物理层脉冲的发送形式。

图5和图6分别表示优先级阈值设置中脉冲碰撞概率与分组发送成功概率随网络中节点数的变化曲线。从图5可以看出，当网络中节点不大于4个时，碰撞概率为零。这也与理论分析是相符的，4个相互正交的图案可以保证每个节点在无碰撞的条件下实现一发三收。随着节点数的增大，节点间碰撞概率也随之增大。从图6可以看出，分组发送成功概率随网络节点数的增加而下降，根据最高优先级分组发送成功率达到99％的要求，从而确定网络节点数及系统负载，最终确定接入阈值。

综上所述，本发明作为一种新型信道状态判断方法，从跳频跳时图案的角度获得信道负载统计值及优先级阈值，从而使得判断结果更具实时性和准确性，在对降低网络时延和提高吞吐量方面有明显优势。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种自组织网络下基于跳频跳时图案的信道状态判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

针对全连通自组织网络，物理层采用跳频跳时技术进行发送，共提供m个频点；基于无重叠的跳频跳时图案，预先为每个节点固定分配q个图案，节点的发送和接收以图案为单位；每个图案对应一个时频矩阵，将拆分的物理脉冲映射到时频矩阵中，得到物理脉冲的发送形式，并根据信道负载状态决定是否发送：当信道负载统计值小于优先级阈值时，信道状态为轻载，可以进行发送；否则信道过载，节点退避；

所述信道负载统计是根据节点的载波检测能力在统计周期内检测同一时间内是否有新的脉冲到达并占用与发送图案脉冲中相同的频率确定的，若检测到则视为信道忙，将此时帧周期标记为1，否则信道空闲；重复这一过程，统计T时间内所占用的总时帧数，计算得出每一套图案的负载统计值；

所述优先级阈值是基于数据分组发送成功概率，根据不同优先级业务发送成功概率确定的网络最大容纳节点数确定的；所述优先级阈值确定的具体过程，包括以下步骤：

网络中有N个节点，设置时帧长度为T_p，物理层提供m个频点，数据包拆分为n个持续时间为t_p的物理脉冲，则发送占空比

假设脉冲到达的时间分别为t_j，j＝1,2,...,n，则时间碰撞的条件是

|t_j-t_i|＜T_p*T_δ (4)

以节点1为例，当N个节点同时接入信道时，节点1与其他节点发生碰撞的概率为时间碰撞概率与频率碰撞概率乘积：

其中，V_i为节点的时间约束区域；

脉冲碰撞概率达的最大值为：

其中，

中C表示数学中的组合运算；

考虑物理层的编码纠错能力，当接收到的碰撞脉冲数在纠错能力范围内则可以被成功译出，即数据被分为n个脉冲，当接收到大于等于接收最小脉冲数n_min时认为数据发送成功，则发送成功概率为：

其中，P_cmax ^n-i为P_cmax的n-i次方；

基于无重叠的跳频跳时图案，n个节点同时接入网络可以最大程度的占用信道，此时信道负载最大，即有限制阈值η_th为：

其中，L_n为系统负载，R为节点发送速率；

根据不同优先级的数据包发送成功概率要求和公式(7)得到网络最大容纳的节点数N，进而根据式(8)得到优先级阈值。

2.根据权利要求1所述一种自组织网络下基于跳频跳时图案的信道状态判断方法，其特征在于，所述将拆分的物理脉冲映射到时频矩阵的过程包括以下步骤：

对于一个数据分组，完整传输需要的时间为T_p，将其拆分为n个持续时间为t_p的物理脉冲，则发送占空比为

发送时，节点将n个物理脉冲与时频矩阵一一对应。

3.根据权利要求2所述一种自组织网络下基于跳频跳时图案的信道状态判断方法，其特征在于，所述时频矩阵的生成过程如下：

第一步，将有限域G(p)中非零元素升序排列，得到长度为p-1的码元集合G＝{1,2,...,p-1}；p为一个素数，满足n+1≤p≤m+1；

第二步，将上述码元同乘u，1≤u≤p-1，并作取余运算mod(p)，得到无重叠跳频序列；u是一个数；

第三步，截取序列的前n列，得到跳频矩阵，矩阵大小为(p-1)*n；

第四步，将跳频矩阵扩展成N_s*n矩阵，其中N_s≥q*N为图案总数；

第五步，将最终的跳频矩阵分配到时隙中，保证同一个时隙所占用的频点不同，时隙个数

第六步，生成时频矩阵并随机打乱，时频矩阵的数字代表所占用的频点索引。

4.根据权利要求3所述一种自组织网络下基于跳频跳时图案的信道状态判断方法，其特征在于，所述跳频跳时图案是按照组网要求提前设计好的，并以固定分配的方式分配给网络中节点。

5.根据权利要求3所述一种自组织网络下基于跳频跳时图案的信道状态判断方法，其特征在于，所述信道负载统计的具体过程，包括以下步骤：

在时分而不同步时，每个节点在物理层依据载波检测能力分别检测同一时间内是否有新到达的脉冲占用与发送图案脉冲中相同的频率；按时间和频率键值对来记录自己的图案：

{t₀,f₀,t₁,f₁…t_n-1,f_n-1} (1)

其中，t₀表示时帧开始时间，t₁～t_n-1表示各个脉冲相对于t₀的开始时间，f₀～f_n-1表示图案中脉冲占用的不同频点；

设置定时器时间长度为一帧，在一帧内逐个脉冲检测新到达的脉冲时间与频率是否发生重叠，若检测到重叠，则信道忙，更新信道负载；否则信道空闲，等待下一个脉冲，直到一帧内所有脉冲统计完成后更新负载：

判断重叠的条件是：新脉冲频点与图案中脉冲占用频点相同，同时新脉冲到达时间与图案中脉冲时间上有交叉，假设新脉冲达到时间为t_j，图案中脉冲时间起点为t_i：

(t₀+t_i)＜t_j＜(t₀+t_i+t_p) (2)

为了获取信道负载统计值，需要建立时间间隔为T的统计周期，逐帧统计并更新，统计被占用的时帧数为t_ocp，总时帧数为

计算信道占用率η_ocp即信道负载统计值：

6.根据权利要求5所述一种自组织网络下基于跳频跳时图案的信道状态判断方法，其特征在于，所述优先级阈值η_th＝T_δ*N/m。

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